高墩大跨度連續剛構橋的設計探討

余科輝

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 高墩大跨度連續剛構橋存在的主要問題

1.1 箱梁開裂

(1)腹板斜裂縫

腹板斜裂縫又叫做剪切裂縫，是箱梁最為常見的一種裂縫，根本原因是由截面主拉應力過大引起的。進一步說，截面尺寸不合理、尺寸偏小、腹板下彎束偏少、豎向預應力有效性不足都能導致主拉應力過大從而產生腹板斜裂縫。腹板斜裂縫一般出現在兩個區域，一是主跨L/4附近(L為主跨跨徑，下同)，一是邊跨支點附近。

(2)底板縱向裂縫

底板縱向裂縫是由于底板橫彎受力引起的，其中底板預應力鋼束徑向力引起的底板崩裂最為常見。連續剛構箱梁底板曲線通常采用2次或者1.8次拋物線，布置在底板的縱向預應力鋼束會產生較大的徑向力，使底板橫向彎曲變形，從而導致底板出現縱向裂縫。由于連續剛構底板束較多且對底板截面削弱較大，在底板預應力張拉施工過程中，極易發生底板崩裂的現象。

(3)頂、底板橫向裂縫

頂、底板橫向裂縫是由于主梁縱彎受力引起的。當箱梁縱向預應力配置不足、預應力損失嚴重、預應力孔道的位置偏差、汽車超載等均會使頂、底板(尤其是跨中底板)產生橫向裂縫。

1.2 跨中下撓

跨中下撓過大指的是橋梁在運營階段出現了大于理論計算值的下撓。對于早期修建的連續剛構橋梁，跨中下撓是一個比較普遍的病害，并且隨著剛構跨徑的加大愈發突出。如湖北黃石大橋，主跨245 m，運營十年后發現下撓335 mm。

經研究，導致連續剛構橋下撓的主要因素有：混凝土收縮、徐變，設計配束偏少導致預應力度偏低，預應力長期損失(尤其是豎向預應力)導致預應力度不足，施工質量差。

1.3 高墩剛度不足

山區大跨度連續剛構橋通常跨越較深的溝谷，主墩的墩高普遍偏高。貴州畢節至威寧高速上的赫章特大橋，最高主墩195 m，號稱亞洲第一高墩；陜西旬邑高速公路上的三水河特大橋，最高主墩183 m；四川雅安至西昌高速公路上的臘八斤特大橋，最高主墩182.5 m。這些超高墩剛構橋多跨越峽谷，橋址風速較大，為了抵抗橫橋向風荷載，橋墩應具有足夠的橫向剛度。現有的公路橋梁規范對高墩穩定性提出了要求，但沒有對高墩的墩頂橫向位移提出要求，造成了部分連續剛構橋梁的橋墩剛度不足。橋墩橫向剛度不足，當橫向風出現時，橋梁易產生橫向擺動，導致橫向位移偏大、橫向加速度偏大，從而降低了行車或行人的舒適性。

2 高墩大跨度連續剛構橋的設計對策

2.1 南醒河特大橋概況

南醒河特大橋位于云南省西雙版納勐臘縣，橋梁為跨越V型深溝而設。橋梁大樁號側接隧道，橋梁處于分離式路基段落，單幅橋梁寬度為12.55 m。主橋采用105 m+180 m+105 m預應力混凝土連續剛構，箱梁根部梁高11 m，跨中梁高4 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化。6#主墩采用等截面空心墩，墩高70 m；7#主墩采用變截面空心墩，墩高165 m；兩主墩高差95 m。

2.2 確定合理的箱梁尺寸

連續剛構之所以容易出現開裂、跨中下撓，很大一部分原因是由于箱梁構造尺寸選擇不合理。箱梁的梁高及梁底拋物線、腹板厚度、0#塊尺寸等都需要根據計算合理確定。

早年設計的連續剛構橋箱梁高度取值偏小，如大多橋梁根部梁高取L/18左右，容易出現結構整體剛度不足的問題。梁高不夠，預應力配束容易過多，結構長期處在高應力狀態，在收縮徐變的作用下，長期下撓在所難免。大量工程實踐證明，箱梁的根部梁高取L/16～L/17，跨中梁高通常取L/40～L/50，梁底曲線：當L<150 m時，采用2次拋物線；當L≥150 m時，采用1.8次拋物線。

建國初期設計的一些連續剛構橋，當時從經濟性考慮腹板厚度取值偏小，出現了較多腹板斜裂縫。究其原因，還是由于腹板尺寸小造成主拉應力偏大引起的。腹板的厚度也不宜過大，否則會造成恒載的加大，對結構受力不利。根部腹板厚度根據跨徑的大小確定，一般取65～90 cm。跨中腹板厚度需要滿足構造要求，必須要有足夠的空間放置縱向及豎向預應力，跨中腹板的厚度通常不小于45 cm。根部到跨中腹板厚度利用1～2個節段采用線性漸變過渡，根部腹板厚度大于80 cm時，通常需采用兩次漸變，以便盡量減少恒載引起的彎矩。

南醒河特大橋根部梁高11 m為L/16.4，跨中梁高4 m為L/45，以及梁底曲線采用1.8次拋物線，均為較合理的尺寸選擇。大橋主梁腹板厚度從根部80 cm漸變到跨中55 cm，漸變位置位于L/3處，滿足了足夠的抗剪及主拉需求，也利于腹板下彎束的布置。0#塊受力極其復雜，本橋采用實體建模計算，加大了0#塊的尺寸；懸臂根部底板厚度1.2 m，在0#塊處底板加大為1.5 m；懸澆段頂板厚度30 cm，在0#塊處頂板加大為60 cm，并增加懸澆段與0#塊相接的倒角尺寸，便于傳力更順暢、更合理。

2.3 設置合理的腹板下彎束

(1)腹板下彎束設置的范圍不能太小。早期的一些橋梁，腹板下彎束僅設置在0#塊附近的幾個節段。南醒河特大橋充分吸收以往經驗教訓，加大了腹板下彎束的設置范圍，腹板下彎束設置到18#節段(最大懸澆節段為21#節段)，離跨中合攏段僅剩3個懸澆節段。

(2)腹板下彎鋼束的排數也建議增加。過去較多橋梁，一個腹板僅設置一排腹板下彎束。南醒河特大橋充分利用了根部腹板的厚度，在80 cm腹板的區域，一個腹板均設置了雙排腹板下彎束。

(3)腹板下彎束應盡量下彎靠近底板。調查發現，大多數剛構橋腹板下彎束僅下彎至2/3梁高處，無法在全梁高范圍提供豎向預壓應力，所以這樣設置是沒有理論依據的。為了使箱梁全梁高受到預應力的約束，在滿足鋼束張拉空間要求的前提下，應盡量使腹板下彎束覆蓋更大的梁高范圍。南醒河特大橋腹板下彎束考慮張拉空間的要求，腹板下彎束張拉端距底板底緣的豎向高度為1.5 m左右。

2.4 豎向預應力采用低回縮二次張拉錨固系統

早期修建的連續剛構橋，豎向預應力基本采用精軋螺紋粗鋼筋，配合簡易的YGM螺母式錨具。豎向預應力粗鋼筋長度一般僅10 m左右，長度短則張拉伸長量就小，一旦出現了微小的壓縮變形，就會造成較大的預應力損失。

總結了以往工程實踐的經驗教訓，南醒河特大橋采用低回縮二次張拉錨固系統。首先，將預應力粗鋼筋優化為預應力鋼絞線，張拉伸長量增加了，改善了粗鋼筋伸長量小不宜控制的問題。其次，預應力鋼絞線采用二次張拉，能消除第一次張拉因錨具回縮變形引起的預應力損失。具體操作方法為：第一次按夾片式錨具通用張拉施工方法整束張拉并錨固，2～16 h內進行第二次張拉，第二次用H形支承架支承千斤頂，采用連接器與張拉桿相連，將錨環整體拉起，張拉至設計張拉力，擰緊外圈支承螺母，完成第二次張拉。

2.5 加強設計應力控制

從調查情況來看，應力控制偏緊、走規范下限是較多橋梁普遍存在的設計弊端。由于實際施工情況與設計存在偏差，有限元建模計算也很難真實反映，應力控制應該留有一定富裕。根據多年工程實踐，本文對設計應力提出了以下高于規范的要求。(1)在不考慮豎向預應力的情況下，僅考慮縱向預應力，主拉應力就能滿足規范的要求。(2)對于全預應力混凝土，應適當提高跨中下緣壓應力儲備，在標準組合下跨中下緣壓應力宜≥(1+L/100)MPa。南醒河特大橋在不考慮豎向預應力情況下，最大主拉應力1.0 MPa，滿足規范要求；在標準組合下，跨中下緣壓應力2.5 MPa，有一定的壓應力儲備。

2.6 加強細節構造設計

上文已經提到，底板束的徑向力容易引起跨中底板崩裂，設計上必須加強細節構造設計。為了抵抗底板束徑向力造成的底板橫向彎曲開裂，南醒河特大橋在跨中增設一道橫隔板；其次，在底板鋼束曲線段設置了直徑16 mm間距20 cm的U型防崩鋼筋。

2.7 風振舒適度控制高墩橫向剛度

山區連續剛構橋出現了一些超高主墩，在峽谷橫風作用下，橋墩會左右擺動，引起類似于簡諧振動的現象。隨著風振加速度增大，就會引起行車或行人的不舒適性，出現了橋墩剛度不足的弊端。

3 結 語

針對高墩大跨度連續剛構橋梁出現的梁開裂、跨中下撓、橋墩剛度不足等問題，設計上采取有效的應對措施，通過優化結構尺寸、合理設置預應力鋼束、采用先進的二次張拉工藝、提高結構應力儲備、加強細節構造設計以及通過風振舒適度將橋墩橫向剛度控制在一個可靠范圍，從而提高橋梁的安全性及耐久性。